Патент на изобретение №2168846

(54) ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Генератор хаотических колебаний содержит устройство с отрицательным сопротивлением, состоящее из четырех транзисторов, двух источников тока и одного резистора, две катушки индуктивности, конденсатор и нелинейный элемент, состоящий из четырех транзисторов, четырех резисторов и источника тока. Достигаемый технический результат – возбуждение хаотических колебаний в двухполюсной резонансной системе с последовательным резонансом, а также расширение интервала рабочих температур. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний.

Известен генератор хаотических колебаний (А.Р.Волковский. Хаотический релаксационный генератор. Изв. вузов “Прикладная нелинейная динамика”, 1994, Т.2, N 2, С.50), представляющий собой блокинг-генератор, в коллекторную цепь транзистора которого включен дополнительный конденсатор.

Также известен генератор хаотических колебаний (А.С.Пиковский, М.И.Рабинович. Простой автогенератор со стохастическим поведением. Доклады Академии Наук СССР, 1978, Т.239, N 2, С.302), содержащий туннельный диод, анод которого соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, второй вывод которого соединен с катодом туннельного диода, причем параллельно туннельному диоду и устройству с отрицательным сопротивлением подключены соответственно первый и второй конденсаторы.

Однако колебательная система этих генераторов должна иметь более двух отводов для соединения с остальными элементами схемы. Это не позволяет использовать данные генераторы для возбуждения хаотических колебаний в колебательных системах, имеющих только одну пару внешних выводов.

Недостатком этого генератора хаотических колебаний является то, что его построение основано на использовании параллельного резонансного контура, что не позволяет применить данную схему для возбуждения хаотических колебаний в резонансных системах с последовательным резонансом, например, в последовательном LC-контуре. Другим недостатком данного генератора является зависимость условий возбуждения хаотических колебаний от температуры. Эта зависимость, обусловленная повышенной температурной нестабильностью вольт- амперной характеристики нелинейного элемента, ограничивает интервал рабочих температур генератора хаотических колебаний.

Целью изобретения является возбуждение хаотических колебаний в двухполюсной резонансной системе с последовательным резонансом, а также расширение интервала рабочих температур генератора хаотических колебаний.

Цель изобретения достигается тем, что в генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом нелинейного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, введена вторая катушка индуктивности, первый и второй выводы которой соединены соответственно с первым выводом нелинейного элемента и вторым выводом конденсатора, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора и базой первого транзистора, нелинейный элемент содержит пятый транзистор, коллектор которого соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором шестого транзистора и базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом нелинейного элемента и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом нелинейного элемента и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером шестого транзистора.

Заявляемый генератор хаотических колебаний поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная, и фиг. 2, на которой показано распределение токов и напряжений в схеме генератора при его работе.

Генератор хаотических колебаний содержит устройство с отрицательным сопротивлением 1, нелинейный элемент 2, конденсатор 3, первую 4 и вторую 5 катушки индуктивности, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 транзисторы, первый резистор 10, первый 11 и второй 12 источники тока, нелинейный элемент содержит пятый 13, шестой 14, седьмой 15 и восьмой 16 транзисторы, второй 17, третий 18, четвертый 19 и пятый 20 резисторы и третий источник тока 21.

Запишем уравнения, описывающие динамику данного генератора (см. фиг. 2):
U_L1 = Ri_L1 + U_НЭ(i); U_L2 = -U_C – U_НЭ(i); i = i_L2 – i_L1;

(1)

где R – модуль эквивалентного сопротивления устройства с отрицательным сопротивлением 1; С – емкость конденсатора 3; ₁ и L₂ – индуктивности первой 4 и второй 5 катушек индуктивности соответственно; i_L1, i_L2 – переменные токи, протекающие соответственно в первой 4 и второй 5 катушках индуктивности; U_C – переменное напряжение на конденсаторе 3; U_НЭ(i) – динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного элемента 2.

Разрешив уравнения (1) относительно получим следующую систему дифференциальных уравнений:
(2)
Вводя нормированные переменные Y = i_L2/I₀, Z = i_L1/I₀ (где I₀ – величина граничного тока между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики нелинейного элемента) и безразмерное время приведем систему (2) к стандартному виду:
(3)
где f(y-z) = U_НЭ(i)/RI₀.

Полученная система уравнений идентична стандартной системе уравнений, описывающей динамику прототипа, так как исходные уравнения, описывающие прототип:

приводятся к виду (2) подстановкой:
Y = U₁/U; Z = U₂/U;
B = AC/C₀; f(y-z) = i_d(u)/qU,
где u = u₁ – u₂;

динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного элемента в прототипе; U – граничное напряжение между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики, следовательно:

где
Ввиду идентичности нормированных уравнений, описывающих динамику прототипа и заявленного генератора, хаотические колебания в последнем наблюдаются при тех же значениях коэффициентов А, В, и , что и в прототипе. Поэтому хаотические колебания в заявленном генераторе будут наблюдаться, если:
L₁ = CR²/AB; L₂ = CR²/A², а вольт-амперная характеристика нелинейного элемента соответствует следующему уравнению:

где r₁ = R и r₂ = R – дифференциальные сопротивления среднего и боковых участков вольт-амперной характеристики нелинейного элемента соответственно.

Если в схеме заявленного генератора все транзисторы идентичны, а их базовые токи пренебрежимо малы по сравнению с коллекторными токами, то:
R R₁; r₂ 2R₃; I₀ I₂/2,
где R₁ – сопротивление первого резистора; R₂ – сопротивление второго и пятого резисторов; R₃ – сопротивление третьего и четвертого резисторов; I₂ – выходной ток третьего источника тока.

При этом рабочие участки вольт-амперных характеристик устройства с отрицательным сопротивлением и нелинейного элемента равны соответственно: I₁ и I₁ + I₀, где I₁ – выходной ток первого и второго источников тока. Поэтому ток I₁ должен удовлетворять условию I₁ >> I₀.

Хаотические колебания в прототипе наблюдаются, в частности, при 1; 1; A = 0,2…0,35; B = 0,6…0,7. Следовательно? значения элементов схемы заявленного генератора можно выбирать, исходя из следующих соотношений: R₁ R;




I₂ 2I₀. Если взять R = 500 Ом; C = 10 нФ; I₀ = 50 мкА, то хаотические колебания в заявленном генераторе можно наблюдать, например, при R₁ 500 Ом; R₂ 25 Ом; R₃ 2,5 кОм; L1 14 мГн; L2 30 мГн; I₂ 100 мкА; I₁ 2 мA.

При идентичности транзисторов в схеме заявленного генератора и малости их базовых токов по сравнению с коллекторными эмиттерные сопротивления первого и третьего, второго и четвертого, пятого и седьмого, шестого и восьмого транзисторов взаимно компенсируются. В результате эквивалентное сопротивление устройства с отрицательным сопротивлением и вольт-амперная характеристика нелинейного элемента практически не зависят от параметров транзисторов, что обусловливает расширение интервала рабочих температур заявленного генератора хаотических колебаний по сравнению с аналогами и прототипом.

Таким образом, предложенный генератор обеспечивает возбуждение хаотических колебаний в последовательном колебательном контуре (образованном второй катушкой индуктивности и конденсатором), который соединен с остальными элементами схемы только двумя отводами, а также имеет расширенный по сравнению с аналогами и прототипом интервал рабочих температур.

Формула изобретения

Генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом нелинейного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, отличающийся тем, что в него введена вторая катушка индуктивности, первый и второй выводы которой соединены соответственно с первым выводом нелинейного элемента и вторым выводом конденсатора, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора и базой первого транзистора, нелинейный элемент содержит пятый транзистор, коллектор которого соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором шестого транзистора и базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом нелинейного элемента и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом нелинейного элемента и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером шестого транзистора.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.05.2006

Извещение опубликовано: 10.05.2007 БИ: 13/2007